義縣高中劉占江1.3發酵工程及應用青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量，價格貴如金。從社會中來

隨著高產菌種的選育、發酵技術的發展等，青霉素步入了產業化生產的道路。如今，一瓶規格160萬單位青霉素注射劑的價格只要1元左右。

在工業上，青霉素是怎樣生產的？一、發酵工程的基本環節1、隨著人們對

的認識，

技術的建立，以及

的

設計成功，人們能夠在嚴格控制的環境條件下，大規模生產發酵產品，發酵工程

逐步形成。發酵原理微生物純培養密閉式發酵罐2、發酵工程的環節：發酵工程一般包括：菌種的選育，

擴大培養，

培養基的配制、滅菌，

接種、發酵，

產品的分離、提純等方面。發酵工程的基本環節選育菌種:可以從自然界中篩選,也可通過誘變育種或基因工程獲得擴大培養發酵罐內發酵:發酵工程的中心環節。在了解發酵進程的同時,還要控制發酵條件。如環境條件不僅會影響微生物的生長繁殖,而且會影響微生物代謝物的形成接種滅菌:不能有雜菌污染。如在青霉素生產過程中如果污染了雜菌,某些雜菌會分泌青霉素酶將青霉素分解掉分離、提純產物:(1)若產品是微生物本身,可采用過濾、沉淀等方法;(2)若產品是代謝物,可根據產物性質采取適當的措施獲得產品

一、發酵工程的基本環節環節目的菌種選育擴大培養培養基的配制滅菌產品的分離、提純性狀優良菌種可從自然界篩選，也可通過誘變育種或基因工程育種獲得。工業發酵罐體積大，接種菌種總體積大。發酵前需對菌種擴大培養。選原料制備培養基。生產實踐中，培養基配方要經過反復實驗才能確定。發酵工程所用大多為單一菌種，有雜菌污染影響產量，培養基和設備需嚴格滅菌現代發酵工程的大型發酵罐有計算機控制系統，能對溫度、PH、溶解氧、罐壓、通氣量、攪拌、泡沫和營養進行監測和控制。還可以進行反饋控制，使發酵全過程處于最佳狀態。發酵工程的中心環節，發酵過程中，要隨時檢測培養液中微生物數量、產品濃度等，以了解發酵進程。還要及時添加必需的營養組分，嚴格控制溫度、PH和溶解氧等發酵條件。環境條件不僅影響微生物生長繁殖，還影響微生物代謝物的形成。如果發酵產品是微生物細胞本身，可在發酵結束后，采用過濾、沉淀方法將菌體分離和干燥，即可得到產品。如果產品是代謝物，可據產物性質采取適當提取、分離純化措施來獲得產品。接種發酵罐發酵思考-討論發酵工程基本環節分析討論1、微生物菌種資源豐富，選擇發酵工程用的菌種時需要考慮哪些因素？2、怎樣對發酵條件進行調控以滿足微生物的生長需要？選擇發酵工程中用的菌種,在考慮生產需要(如微生物體內酶的催化能力、微生物的繁殖速度等)的同時,還要結合當地的氣候和發酵設備等實際情況(1)反復試驗確定培養基的配方。(2)對培養基和發酵設備進行嚴格的滅菌。(3)用計算機控制系統對發酵過程進行監測和控制。(4)控制發酵過程的溫度、pH和溶解氧等發酵條件。可用溫度傳感器、

冷卻水進入口和排出口控制溫度,利用發酵罐的通氣口控制氧氣

的量等。3、在產物分離和提純方面，發酵工程與傳統發酵技術相比有哪些改進之處？4、進行發酵生產時，排出的氣體和廢棄培養液能直接排放到外界環境中嗎？

為什么？不能。發酵過程中產生的氣體和廢棄培養液需經過相應的凈化設備,達到國家排放要求后才能排放到外界環境中。因為有些氣體和廢棄培養液對人和生物有害或對環境有毒害作用。思考-討論啤酒的工業化生產流程1、啤酒的工業化生產流程主要分為

和

兩個階段。主發酵后發酵1.發芽大麥種子發芽，釋放淀粉酶2.焙烤加熱殺死胚，淀粉酶不失活3.碾磨將干燥的麥芽碾磨成麥芽粉4.糖化淀粉分解形成糖漿6.發酵酵母菌將糖轉化為酒精和CO25.蒸煮產生風味組分，終止酶的進一步作用，并對糖漿滅菌7.消毒殺死啤酒中大多數微生物，延長它的保存期。具體為發芽，焙烤，碾磨，糖化，蒸煮，發酵，消毒，終止環節。8.終止過濾、調節、分裝啤酒進行銷售發酵罐示意圖

啤酒的工業化流程

發芽焙烤碾磨糖化蒸煮發酵主發酵消毒終止后發酵啤酒的工業化生產流程1、主發酵發酵過程分主發酵和后發酵兩個階段：完成酵母菌的繁殖，大部分糖的分解和代謝物的生成。2、后發酵主發酵結束后，發酵液還不適合飲用，要在低溫、密閉的環境下儲存一段時間進行后發酵，這樣才能形成澄清、成熟的啤酒。發酵的溫度和發酵的時間隨啤酒品種和口味要求不同有所差異。討論1、與傳統的手工發酵相比，在工業化啤酒生產過程中，哪些工程手段使啤酒產量

和質量明顯提高？2、現在市面上流行一種“精釀”啤酒，它的制作工藝與普通啤酒有所不同，如一

般不添加食品添加劑、不進行過濾和消毒處理等。有人認為飲用“精釀”啤酒比飲用“工業”啤酒更健康，你怎么看待這個問題？“精釀”啤酒，是小規模釀造產品，發酵時間長、產量低和價格高，卻依然有著市場需求，我們如何看待大規模生產和小規模制作？二、發酵工程的應用

發酵工程以其生產條件溫和、原料來源豐富且價格低廉、產物專一、廢棄物對環境的污染小和容易處理等特點，在食品工業、醫藥工業和農牧業等許多領域得到了廣泛應用，形成了規模龐大的分解工業。（一）在食品工業上的應用1、生產傳統的發酵產品大豆中蛋白小分子肽和氨基酸醬油黑曲霉淋洗、調制各種谷物、水果釀酒酵母各種酒類利用霉菌發酵生產醬油、利用釀酒酵母生產各種酒類2、生產各種各樣的食品添加劑表1-2常用的幾種食品添加劑添加劑類型舉例酸度調節劑L-蘋果酸、檸檬酸、乳酸增味劑5‵-肌苷酸二鈉、谷氨酸鈉著色劑β-胡蘿卜素、紅曲黃色素增稠劑黃原膠、β-環狀糊精、結冷膠防腐劑乳酸鏈球菌素、溶菌酶3、生產酶制劑利用黑曲霉發酵生產檸檬酸；利用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產谷氨酸，經處理制成味精。利用微生物發酵生產α-淀粉酶、β-淀粉酶、果膠酶、脂肪酶和氨基肽酶等；目前已有50多種酶制劑用于食品生產。（二）在醫藥工業上的應用3、未來可能用微生物生產過去只能從植物中分離提取的紫杉醇、青蒿素前體等。

青霉素的發現和產業化生產推動了發酵工程在醫藥領域的應用和發展。利用工程菌發酵生產生長激素釋放抑制激素4、利用基因工程將病原體的抗原基因轉入微生物細胞，制成生物疫苗。通過誘變的青霉菌發酵生產青霉素2、直接對菌種進行改造,再通過發酵技術大量生產所需要的產品1、采用基因工程的方法,將植物或動物的基因轉移到微生物中,獲得具有某種

藥物生產能力的微生物（三）在農牧業上的應用1、生產微生物肥料利用根瘤菌和固氮菌生產的根瘤菌肥、固氮菌肥2、生產微生物農藥如：利用蘇云金桿菌防治多種農林蟲害、利用白僵菌防治玉米螟和松毛蟲，

一種放線菌產生的抗生素-井岡霉素可防治水稻枯紋病。微生物肥料利用了微生物在代謝過程中產生的

、

等來增進土壤肥力，改良土壤結構，促進植株生長。有機酸生物活性物質微生物農藥是利用

或

來防治病蟲害的。微生物農藥作為

的重要手段，微生物其代謝物生物防治3、生產微生物飼料蛋白質微生物含有豐富的

。以淀粉或纖維素的水解液、制糖工業的廢液等為原料，通過發酵獲得了大量的

，即單細胞蛋白，用單細胞蛋白制成的微生物飼料，能使家畜、家禽增重快，產奶或產蛋量顯著提高微生物菌體（四）在其他方面的應用發酵工程正滲透到幾乎所有的工農業領域，在助力解決

和

等方面的重大問題上，作出了越來越大的貢獻。糧食、環境、健康能源1、解決資源短缺和環境污染問題利用纖維廢料發酵生產酒精、乙烯等能源物質2、對極端微生物（生活在高溫、高壓、高鹽和低溫環境）的利用利用嗜熱菌、嗜鹽菌生產洗滌劑提示在農業生產中,可以利用農作物廢棄物生產食用菌,利用菌糠生產有機肥或部分替代動物飼料;在植物保護方面,應用微生物產生的抗生素來生產生物農藥,治理病蟲害等。1.請列舉一下發酵工程在環境保護方面的其他應用。提示利用微生物發酵清理城市廢棄物垃圾,利用發酵工程使煙氣脫硫,還可以利用微生物工程除臭等。2.請列舉一下發酵工程在其他行業中的應用。到社會中去1、列出你昨天一天的食譜，看看那些食品是直接由微生物發酵產生的？那些食品中添加了經發酵生產的食品添加劑？2、當地是否有發酵生產企業？如果有，請進行以下調查活動（1）咨詢當地政府管理部門，了解以下信息：這些企業的年產值是多少？占當地國民生產總值的比例是多少？提供了多少就業崗位？（2）你的家人和朋友是否有正在從事分解工業生產的，如果有，咨詢以下問題：他們所在公司目前生產那些分解產品？經濟效益如何？該行業遇到的主要困難是什么？要解決這些困難，對分解技術提出了那些新要求？歸納201.性狀優良的菌種可以從自然界中篩選出來，也可以通過誘變育種或

基因工程育種獲得。2.發酵工程所用的菌種大多是單一菌種。3.發酵工程的中心環節是發酵罐內發酵。核心語句背誦4.如果發酵產品是微生物菌體可采用過濾、沉淀等方法將菌體分離和

干燥得到產品；如果發酵產品是微生物的代謝物可根據產物的性質

采取適當的提取、分離和純化措施來獲得產品。5.發酵工程的產品主要包括微生物的代謝產物、酶及微生物的菌體。1.判斷正誤。(1)單細胞蛋白就是一個蛋白質分子。()(2)可以利用發酵工程和基因工程生產疫苗。()(3)科學家可利用基因工程,將病原體的某個或某幾個抗原基因轉入適當的微生物細胞,獲得的表達產物就可以作為疫苗使用。()2.下列不需要利用發酵工程的是(

)A.生產單細胞蛋白飼料B.通過生物技術培育可移植的皮膚C.利用微生物生產胰島素D.工廠化生產青霉素B解析:生產單細胞蛋白是利用發酵工程生產微生物菌體本身的過程。利用微生物生產胰島素和工廠化生產青霉素都需要利用發酵工程。通過生物技術培育可移植的皮膚不是利用發酵工程。練一練3、(多選)下列關于發酵過程的說法,正確的是(

)A.培養基滅菌是發酵生產中的一個很重要的環節B.隨時監測影響發酵過程的各種環境條件,并予以控制,才能保證發酵的正常進行C.在發酵過程中,要嚴格控制溫度、pH、溶解氧、通氣量與轉速等發酵條件,否則會

影響菌種代謝物的形成D.發酵產品的分離方法是共同的ABC解析不同的發酵產品,其分離方法不同。有的需要過濾、沉淀,有的則需要進行蒸餾、萃取或離子交換。4、發酵工程的一項關鍵措施是滅菌,下列關于滅菌的敘述,正確的是(

)A.培養基和發酵設備均需要嚴格滅菌B.滅菌是殺死培養基中的一切細菌和真菌C.通入無菌空氣可以達到滅菌的目的D.pH調到7左右滅菌效果最好A解析培養基和發酵設備都必須經過嚴格的滅菌,A項正確;培養基的滅菌是殺死培養基中的一切微生物,B項錯誤;為防止雜菌污染,通入的空氣也要是無菌的,但不是通入無菌空氣就可以達到滅菌的目的,C項錯誤;滅菌效果與pH無直接關系,D項錯誤。5、下列關于單細胞蛋白的敘述,正確的是(

)A.是從微生物細胞中提取的蛋白質B.通過發酵生產的微生物菌體C.是微生物細胞分泌的抗生素D.單細胞蛋白不能作為食品B解析單細胞蛋白是利用淀粉或纖維素的水解液,制糖工業的廢液等為原料,通過發酵獲得的大量的微生物菌體,所以不是特指微生物的某種蛋白質或抗生素;單細胞蛋白含有豐富的蛋白質,如真菌蛋白可作為食品。6、關于發酵工程的菌種說法錯誤的是(

)A．發酵工程的菌種可以從自然界中篩選出來B．發酵工程可以利用原材料中含有的菌種C．發酵工程的菌種可以來自基因工程D．發酵工程的菌種可以來自誘變育種

解析[傳統發酵技術利用的是原材料中的菌種，發酵工程利用的是經過篩選或培育的菌種中含有。]B7、下列對發酵工程應用的描述,錯誤的是(

)A.微生物肥料利用了微生物在發酵過程中產生的有機酸、生物活性物質等來

增進土壤肥力B.微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的C.微生物飼料主要利用的是微生物菌體D.發酵工程和基因工程結合,能生產自然界不存在的蛋白質D解析考查發酵工程在農牧業和醫藥方面的應用。微生物肥料利用了微生物在發酵過程中產生的有機酸、生物活性物質等來增進土壤肥力,改良土壤結構,促進植株生長,A項正確;